バウショック プラズマ波動

*松本 紘[1], 岩田 元希[1], 西村 香純[2], 小嶋 浩嗣[1]

京都大学 宙空電波科学研究センター[1]
国立ロスアラモス研究所[2]

Plasma waves in the Bow Shock

*Hiroshi Matsumoto[1] ,Motoki Iwata [1],Kazumi Nishimura [2]
Hirotsugu Kojima [1]
Radio Science Center for Space and Atmosphere, Kyoto University[1]
Los Alamos National Laboratory[2]

Most of the studies on the collisionless shocks have been done based on the MHD approximation. However, the recent progress of satellite observations and computer experiments allow us to examine the microscopic wave-particle interactions in the vicinity of the shocks. As one of examples, waveform observations of Geotail spacecraft revealed the exsitense of the microscopic electric field structures in the bow shock transition region. The observed electric field structures can affect the energy exchange between ions and electrons. This means that the MHD approximation is not enough to discuss the collisionless shocks. In the present paper we discuss the role of the plasma waves in the bow shock region based on the latest results of spacecraft observations and computer experiments.

無衝突プラズマ中衝撃波周辺での粒子の加速・加熱機構と それに介在するプラズマ波動に関する研究は、ここ数年の 衛星による観測、そして計算機実験による理論解析によって、 新しい段階に入りつつある。 すなわち、 衛星観測では、これまでのスペクトルを中心とした 観測から「波形」による観測へ移ったことにより、 電子のプラズマ周期オーダーの時間スケールまで 観測が可能になり、その結果、突発的な電界の 変化やミクロな構造までが明らかにされつつある。 また、計算機実験では、ハードウェアやその手法の進歩に より、より大規模で非線形段階までの十分な時間の 高精度計算が可能になり、これまで数値ノイズに つぶされてしまっていたような非線形段階での安定解や、 ショック周辺でのミクロスケールでの現象の再現が 可能になり、波動-イオン-電子それぞれの間での エネルギー変換過程を追える能力をもつようになってきた。
本講演では、このように、観測、計算機実験、そしてそこから 引き出される理論を組み合わせて、無衝突プラズマ中の 衝撃波の一例であるバウショックにおいて、プラズマ波動が 粒子の加速・加熱、あるいは、ショック構造そのものの 変化に対してどのような役割を担っているかについて 論じることを目的とする。これまで、すなわち、観測や 計算機実験の発達が十分でない時代においては、 衝撃波についての研究は、MHD的描像で記述されるのが 一般的であった。しかし、上述のように、観測で示される 衝撃波周辺の複雑で、しかも非常に速い時間スケールで 変化していく大規模なプラズマ波動現象の存在は、 さらにミクロな現象の集合体が、衝撃波のごく近傍における エネルギー変換過程に影響を及ぼしている可能性を 示唆している。そして、そのミクロな現象そのものも ショック周辺ではイオンに対する影響も無視することができず、 まさにミクロ現象とマクロ現象を波動が橋渡しをしている 状況が考えられる。
講演では、最新の衛星観測、計算機実験研究結果を 組み合わせ、衝撃波周辺におけるプラズマ波動の 役割に関して、今、どこまでわかったかについて述べ、そして さらに残されている課題は何かについて議論する。